计算机图形学实验笔记
　　计算机视觉学累了就看看计算机图形学…反向消化…
　　理论看累了就敲敲代码
　　说不弃坑，就不弃坑|( ´・∧・｀)

实验：搭建OpenGL环境

OpenGL版本：3.3

GLFW

GLFW是一个OpenGL的C语言库，是对之前固定管线常用的GLUT的一种改进。
　　官网下载源代码包（推荐），或者下载32位的预编译的二进制版本。

编译glfw3.lib

我下载的最新3.3版，下载后解压。并新建一个build文件夹。
　　下载CMake，安装Win32版本。

找到bin文件夹下cmake-gui.exe，
　　填入源代码路径和build文件夹路径：
　　Where is the source code: E:/glfw-3.3
　　Where to build the binaries: E:/glfw-3.3/build

点击Configure按钮，选择合适的生成器（我选择的是VS2015)。点Finish。
　　再次点击Configure按钮保存设置。
　　点击Generate按钮，生成工程文件。

在build文件夹打开GLFW.sln文件，并且生成解决方案。
　　在E:\glfw-3.3\build\src\Debug中所需要的glfw3.lib就有了。

配置

方便起见，我专门建立了一个文件夹OpenGLFiles用来存放相关的头文件和库文件。
　　在文件夹下新建include文件夹和lib文件夹。

将glfw-3.3\include下的文件复制到新建的include文件夹中，将glfw3.lib复制到新建的lib文件夹中。

新建项目所需工程文件，创建空项目。
　　打开工程属性页，选择VC++目录-包含目录中加上：
　　E:\OpenGLFiles\include
　　库目录加上：
　　E:\OpenGLFiles\lib

链接器-输入，附加依赖项加上：
　　glfw3.lib

GLAD

开发者需要在OpenGL运行时获取函数地址并保存在一个函数指针中，取地址方法因平台而异，而GLAD库能简化该过程。

通过GLAD在线服务，language选择C/C++,gl选择3.3，Profile选择Core，Options选中Generate a loader。
　　点击Generate，下载压缩包。解压后，将include文件夹下的文件复制到我新建的include文件夹里，并且将src下的glad.c添加到工程中。

环境搭好了！

实验：绘制一个窗口

包含头文件

1 2	#include <glad/glad.h> #include <GLFW/glfw3.h>

初始化GLFW

glfwInit();                                                     // 初始化GLFW
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);                  // OpenGL版本为3.3，主次版本号均设为3
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);  // 使用核心模式(无需向后兼容性)
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_FORWARD_COMPAT, GL_TRUE);            // 如果使用的是Mac OS X系统，需加上这行
glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, false);						    // 不可改变窗口大小

查看GLFW版本

1
2
3

int Major, Minor, Rev;
glfwGetVersion(&Major, &Minor, &Rev);
printf("GLFW %d.%d.%d initialized\n", Major, Minor, Rev);

创建窗口

GLFWwindow* window = glfwCreateWindow(screen_width, screen_height, "HelloWorld", nullptr, nullptr);
   if (window == nullptr) 
{	// 如果窗口创建失败
       std::cout << "Failed to Create OpenGL Context" << std::endl;
       glfwTerminate();
       return -1;
   }
   glfwMakeContextCurrent(window); // 将窗口的上下文设置为当前线程的主上下文

初始化GLAD

加载OpenGL函数指针地址的函数

if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
    std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
    return -1;
}

指定视口

1	glViewport(0, 0, screen_width, screen_height);

glViewport函数前两个参数控制窗口左下角的位置，第三、第四个参数
控制渲染窗口的宽度和高度（像素）。
实际上也可以将视口的维度设置为比GLFW的维度小，这样所
有的OpenGL渲染将会在一个更小的窗口中显示，这样我们可以将一
些其它元素显示在OpenGL视口之外。

渲染

while (!glfwWindowShouldClose(window)) 
{	
    glfwSwapBuffers(window);// 交换缓冲
    glfwPollEvents();//检查是否有触发事件(比如键盘输入、鼠标移动等）
}

双缓冲：
单缓冲使图像闪烁（图像是从左到右，从上到下逐像素绘制），不够真实。使用双缓冲规避该问题，前缓冲保存着最终输出的图像，显示在屏幕上。所有渲染指令在后缓冲上绘制，指令执行完毕后交换(swap)前缓冲和后缓冲，图像会立即呈现。

渲染结束，释放资源：

1	glfwTerminate();

运行，此时会看到一个黑色的窗口。

修改窗口颜色

在渲染循环中加入：

1 2	glClearColor(0.0f, 0.34f, 0.57f, 1.0f); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

当调用 glClear函数，清除颜色缓冲之后，整个颜色缓冲都会被填充为
glClearColor里所设置的颜色。

运行效果

1	GLFW 3.3.0 initialized

完整代码

https://github.com/hubojing/ComputerGraphics/blob/master/CreateWindow.cpp

总结：

初始化：GLFW窗口，GLAD。
渲染：清空缓冲，交换缓冲区检查触发事件后释放资源。

实验：绘制三角形

初始化

//初始化GLFW
glfwInit();
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MAJOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_CONTEXT_VERSION_MINOR, 3);
glfwWindowHint(GLFW_OPENGL_PROFILE, GLFW_OPENGL_CORE_PROFILE);
glfwWindowHint(GLFW_RESIZABLE, FALSE);

//创建窗口
auto window = glfwCreateWindow(screen_width, screen_height, "Triangle",
	nullptr, nullptr);
if (window == nullptr)
{
	std::cout << "Failed to Create OpenGL Context" << std::endl;
	glfwTerminate();
	return -1;
}
glfwMakeContextCurrent(window);

//初始化GLAD
if (!gladLoadGLLoader((GLADloadproc)glfwGetProcAddress))
{
	std::cout << "Failed to initialize GLAD" << std::endl;
	return -1;
}

//指定当前视口尺寸 
glViewport(0, 0, screen_width, screen_height);

顶点输入

三角形顶点数据是标准化的设备坐标，即x,y,z轴坐标映射到[-1,1]之间。

const float triangle[]=
{
	-0.5f,-0.5f,0.0f;//左下
	0.5f, -0.5f, 0.0f;//右下
	0.0f, 0.5f, 0.0f;//正上
};

数据处理

VBO

将顶点数据发送到GPU处理。生成一个顶点缓冲对象VBO，将其绑定到顶点缓冲对象上。
　　作用：不用将顶点数据逐个发送至显卡，可借助VBO一次性发送过去。
　　再使用glBufferData将顶点数据绑定到当前默认的缓冲上。

//生成并绑定VBO
GLuint vertex_buffer_object;
glGenBuffers(1, &vertex_buffer_object);
glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vertex_buffer_object);
//将顶点数据绑定到当前默认的缓冲中
glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(triangle), triangle, GL_STATIC_DRAW);

VAO

作用：核心模式需要使用VAO，渲染时只需调用一次VAO即可，之前的数据对应存储在VAO中，不用再调用VBO。

1
2
3

GLuint vertex_array_object;
glGenVertexArrays(1, &vertex_array_object);
glBindVertexArray(vertex_array_object);

顶点属性

告诉OpenGL如何解释顶点数据。

1
2
3

//设置顶点属性指针
glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 3 * sizeof(float), (void*)0);
glEnableVertexAttribArray(0);

glVertexAttribPointer函数参数含义：
　　1-顶点着色器位置值
　　2-顶点属性是一个三分量的向量
　　3-顶点类型
　　4-数据是否被标准化（映射到0-1之间）
　　5-步长（这里表示下组数据在3个float之后）
　　6-数据偏移量（此处位置属性在数组开头，因此为0）

glEnableVertexAttribArray表示开启0这个通道，默认状态是关闭的。

此时需要解绑VAO和VBO。
　　原因：
　　1. 防止继续绑定VAO时影响当前VAO。
　　2. 使代码更具灵活性，在渲染需要时会再次绑定VAO。

1 2	glBindVertexArray(0); glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, 0);

顶点着色器和片段着色器

顶点着色器

GLSL语言，类似C语言。
　　源码：

const char *vertex_shader_source =
	"#version 330 core\n"
	"layout (location = 0) in vec3 aPos;\n"
	"void main()\n"
	"{\n"
	"	gl_Position = vec4(aPos, 1.0);\n"
	"}\n\0";

第一行：使用OpenGL3.3核心模式
　　第二行：上面提到的位置值 in表示输入变量
　　main函数中将顶点数据直接输出到GLSL定义好的内建变量gl_Position中，这是顶点着色器的输出。
　　（即在顶点着色器这儿上面都没做，只是将顶点位置作为顶点着色器的输出。）

片段着色器

源码：

const char *fragment_shader_source =
	"#version 330 core\n"
	"out vec4 FragColor;\n"
	"void main()\n"
	"{\n"
	"	FragColor = vec4(1.0f, 0.5f, 0.2f, 1.0f);\n"
	"}\n\0";

前两行类似上面，out表示输出变量。四分量是RGBA。

生成和编译

目的是为了得到着色器程序，所以首先生成和编译着色器，再链接到着色器程序中。
　　生成并编译顶点着色器

int vertex_shader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
glShaderSource(vertex_shader, 1, &vertex_shader_source, NULL);
glCompileShader(vertex_shader);
int success;
char info_log[512];
//是否成功编译
glGetShaderiv(vertex_shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success)
{
	glGetShaderInfoLog(vertex_shader, 512, NULL, info_log);
	std::cout << "ERROR::SHADER::VERTEX::COMPILATION_FAILED\n" << info_log << std::endl;
}

生成并编译片段着色器

int fragment_shader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
glShaderSource(fragment_shader, 1, &fragment_shader_source, NULL);
glCompileShader(fragment_shader);
//是否成功编译
glGetShaderiv(fragment_shader, GL_COMPILE_STATUS, &success);
if (!success)
{
	glGetShaderInfoLog(fragment_shader, 512, NULL, info_log);
	std::cout << "ERROR::SHADER::FRAGMENT::COMPILATION_FAILED\n" << info_log << std::endl;
}

链接顶点和片段着色器至一个着色器程序，并删除着色器

int shader_program = glCreateProgram();
glAttachShader(shader_program, vertex_shader);
glAttachShader(shader_program, fragment_shader);
glLinkProgram(shader_program);
//是否成功链接
glGetProgramiv(shader_program, GL_LINK_STATUS, &success);
if (!success)
{
	glGetProgramInfoLog(shader_program, 512, NULL, info_log);
	std::cout << "ERROR::SHADER::PROGRAM::LINKING_FAILED\n" << info_log << std::endl;
}

//删除着色器
glDeleteShader(vertex_shader);
glDeleteShader(fragment_shader);

渲染

渲染时只需使用链接好的着色器程序就行，不再需要使用顶点和片段着色器。
　　窗口未关闭就一直进行渲染。

while (!glfwWindowShouldClose(window))
{
	//渲染操作
}

这里使用蓝色背景色清空屏幕颜色缓冲。

1 2	glClearColor(0.0f, 0.34f, 0.57f, 1.0f); glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

接下来使用链接好的着色器和VAO来绘制三角形。

//使用着色器程序
glUseProgram(shader_program);
//绘制三角形
glBindVertexArray(vertex_array_object);
glDrawArrays(GL_TRIANGLES, 0, 3);
glBindVertexArray(0);

其实绘制本身只是一个glDrawArrays函数，参数1表示三角形，参数2表示顶点数组起始索引值，参数3表示要绘制的顶点数量。　　绘制结束后解除绑定。
　　双缓冲技术：

//交换缓冲
glfwSwapBuffers(window);
//检查是否有触发事件（键盘输入、鼠标移动等）
glfwPollEvents();

善后工作

//删除VAO和VBO
glDeleteVertexArrays(1, &vertex_array_object);
glDeleteBuffers(1, &vertex_buffer_object);

//退出
glfwTerminate();

实验效果

完整代码

https://github.com/hubojing/ComputerGraphics/blob/master/Triangle

总结：

初始化。
数据处理：给定顶点数据，生成并绑定VAO和VBO，准备在GPU处理，设置顶点属性指针（告诉OpenGL怎么处理数据）。
着色器：生成并编译顶点和片段着色器，链接为着色器程序。
渲染绘制三角形。